基于AHP的煤礦安全技術(shù)管理研究

孟 超

(霍州煤電集團(tuán) 呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200)

我國(guó)是貧油富煤國(guó)家，煤炭在我國(guó)一次能源消費(fèi)中約占70%，到2025年后，石油等資源進(jìn)一步減少，煤炭資源的地位將進(jìn)一步提升[1-5].煤炭開采受限于外在條件，仍有不少風(fēng)險(xiǎn)，一方面，煤層分布結(jié)構(gòu)復(fù)雜，瓦斯、粉塵等致使安全生產(chǎn)問題復(fù)雜化；另一方面，開采技術(shù)滯后和煤礦安全技術(shù)管理評(píng)估體系不完善也增加了事故風(fēng)險(xiǎn)。

煤礦安全技術(shù)管理評(píng)估是現(xiàn)代煤礦安全生產(chǎn)的重要內(nèi)容，有助于降低煤炭開采風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)的煤礦安全技術(shù)管理評(píng)估體系主要依靠人員主觀情感，沒有量化風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)科學(xué)決策是不利的，T.L.saaty等人在20世紀(jì)70年代提出了層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)，通過引入數(shù)學(xué)矩陣計(jì)算，量化評(píng)估值。

本文結(jié)合山西省煤炭開采情況：1) 根據(jù)山西省2010—2015年的相關(guān)數(shù)據(jù)，分析煤炭資源現(xiàn)狀。2) 論述相關(guān)煤礦安全技術(shù)管理，并利用“互聯(lián)網(wǎng)+”思想，指出TensorFlow技術(shù)對(duì)智能化煤炭安全管理的重要價(jià)值。3) 基于AHP思想，建立煤礦安全技術(shù)管理評(píng)估體系，以期為煤炭安全管理科學(xué)決策提供依據(jù)[6-8].

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

山西省位于34°34′N～40°44′N，110°14′E～114°33′E太行山西面。山西省為全國(guó)輸送了約75%的原煤，而且，2018年山西省《全面提升煤炭供給體系質(zhì)量，推動(dòng)全省煤炭產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)》明確提出深化煤炭安全生產(chǎn)技術(shù)管理。因此，結(jié)合山西省實(shí)際情況，建立基于AHP的煤礦安全技術(shù)管理評(píng)估體系對(duì)安全管理和科學(xué)決策十分重要。

1.2 技術(shù)路線

本文先分析山西省煤炭消費(fèi)現(xiàn)狀，再論述煤礦安全技術(shù)管理，最后建立基于AHP的煤礦安全技術(shù)管理評(píng)估體系，評(píng)估體系主要依據(jù)AHP技術(shù)。技術(shù)路線圖見圖1.

20世紀(jì)70年代，T.L.saaty等人提出了AHP，這是一種科學(xué)的多目標(biāo)決策方法，將相關(guān)煤礦工作者的工作經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)知識(shí)相結(jié)合，利用量化的數(shù)據(jù)科學(xué)決策。

計(jì)算過程主要包括建立樹狀結(jié)構(gòu)、構(gòu)建判斷矩陣、單排序權(quán)向量計(jì)算與一致性分析、總排序權(quán)向量計(jì)算與一致性分析這4個(gè)步驟[9-10].

1) 模型建立：主要依據(jù)煤礦安全技術(shù)管理實(shí)際問題抽象為數(shù)學(xué)模型，模型一般包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。

2) 矩陣建立：假設(shè)某一層有X個(gè)變量，即公式(1)：

X={x1,x2,…,xn}

(1)

3) 單層權(quán)重計(jì)算和一致性檢驗(yàn)：最大特征根可推求歸一化特征向量，這個(gè)向量可認(rèn)為是權(quán)重，通過計(jì)算一致性，判斷建立的合理性。

4) 通過總一致性檢驗(yàn)，確定計(jì)算體系的合理性。

通過上述4個(gè)步驟，即建立了煤礦安全技術(shù)管理層次分析體系。

2 研究結(jié)果

2.1 2010—2015年山西省煤炭基本情況

山西省煤炭基本情況見表1.根據(jù)表1，總體指標(biāo)包括了：第一產(chǎn)業(yè)煤炭消費(fèi)量、第二產(chǎn)業(yè)煤炭消費(fèi)量、第三產(chǎn)業(yè)煤炭消費(fèi)量、煤炭基礎(chǔ)儲(chǔ)量和外調(diào)出省、出口煤炭量，局部指標(biāo)包括了：醫(yī)藥制造業(yè)煤炭消費(fèi)量和人民生活煤炭消費(fèi)量。表1數(shù)據(jù)主要來源于中國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，具有可信度。利用表1的數(shù)據(jù)繪制圖2和圖3.

圖1 技術(shù)路線圖

表1 山西省煤炭基本情況表

根據(jù)圖2，山西省第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)煤炭消費(fèi)量在2013年之前保持上升，在2013年后有所下降，總體上三大產(chǎn)業(yè)的煤炭消費(fèi)符合我國(guó)發(fā)展的大勢(shì)所趨。同時(shí)，圖2表明，山西省2013年后，煤炭?jī)?chǔ)量基本穩(wěn)定，外調(diào)和出口增加，特別是外調(diào)和出口的煤炭量級(jí)較大，因此，總體上產(chǎn)量比較穩(wěn)定，而且煤炭出口和外調(diào)增多。

根據(jù)圖3，我國(guó)不同行業(yè)對(duì)煤炭的需求也是不一樣的，人民生活煤炭消費(fèi)量在2013年后有所下降，但是，醫(yī)藥制造業(yè)煤炭消費(fèi)量逐年增多，這與我國(guó)推進(jìn)美麗中國(guó)建設(shè)和民生工程建設(shè)有關(guān)。

因此，煤炭安全仍然是關(guān)乎國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的重要基石。

2.2 煤礦安全技術(shù)

2.2.1瓦斯治理技術(shù)

煤礦瓦斯災(zāi)害主要造成了井下工作人員的窒息和瓦斯爆炸，窒息和爆炸均造成人員損傷[11-12]. 因此，礦井瓦斯的監(jiān)測(cè)和抽放技術(shù)十分關(guān)鍵。目前，瓦斯抽放技術(shù)即利用鉆孔技術(shù)將地下瓦斯抽放，保障地下作業(yè)的安全性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)本層與穿層的瓦斯綜合抽采。

2.2.2煤塵治理技術(shù)

煤礦開采中會(huì)產(chǎn)生粉塵，而細(xì)微顆粒會(huì)使呼吸道黏膜的纖毛上皮細(xì)胞受損，破壞呼吸系統(tǒng)。近年來，我國(guó)利用高壓水外噴霧、布袋除塵等相關(guān)技術(shù)均對(duì)防治生產(chǎn)性粉塵有較好效果。其中，為進(jìn)一步提高噴霧技術(shù)的除塵效果，提出了相關(guān)聲波霧化等技術(shù)，為保障我國(guó)一線工作人員身體健康提供了技術(shù)支撐，這也強(qiáng)化了煤礦開采中的安全管理。

2.2.3火災(zāi)防治技術(shù)

煤田開采中，易發(fā)生火災(zāi)，火花引爆瓦斯將造成更大的危害，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了煙煤、無煙煤和褐煤等煤礦自燃防治技術(shù)，其中，惰氣防火技術(shù)比較常見，這主要是由于該技術(shù)成本低、效果好，因此，注氮防火等技術(shù)可用于回采工作面等相關(guān)工況的防火滅火。

圖2 總體情況曲線圖

圖3 局部產(chǎn)業(yè)情況曲線圖

2.2.4互聯(lián)網(wǎng)+煤礦安全技術(shù)管理

目前，我國(guó)正在大力發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+”，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，深度學(xué)習(xí)已經(jīng)成為人工智能的關(guān)鍵技術(shù)。其中，TensorFlow作為谷歌第二代深度學(xué)習(xí)框架備受矚目，既可以單機(jī)運(yùn)行也可以異構(gòu)設(shè)備分布式集群計(jì)算，因此，將獲取的煤礦物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)匯入深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能煤礦安全技術(shù)管理的重要突破口。

在TensorFlow等深度學(xué)習(xí)技術(shù)的支持下，煤礦防災(zāi)減災(zāi)、煤礦安全生產(chǎn)效率提升和安全保障科學(xué)決策等相關(guān)問題均可以得到科學(xué)解決依據(jù)，因此，深度學(xué)習(xí)技術(shù)與煤礦工業(yè)深度融合，是實(shí)現(xiàn)煤炭安全管理的重要機(jī)遇。

目前，在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)的背景下，“互聯(lián)網(wǎng)+”的推廣，使得將TensorFlow等深度學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于煤礦安全技術(shù)管理中極為必要[13-15].利用TensorFlow深度學(xué)習(xí)技術(shù)可以利用已有的煤礦安全技術(shù)管理數(shù)據(jù)(瓦斯抽采、礦井排水、工作面挖掘、礦井火災(zāi)和礦井壓力等數(shù)據(jù))，建立安全管理數(shù)據(jù)庫(kù)，這主要包括了深度學(xué)習(xí)構(gòu)造階段(構(gòu)建計(jì)算圖)和運(yùn)行階段(運(yùn)行計(jì)算圖)。構(gòu)造階段主要是計(jì)算圖、操作和不同數(shù)據(jù)類型的組合：運(yùn)行階段主要是執(zhí)行會(huì)話及執(zhí)行操作，進(jìn)而構(gòu)建煤礦安全管理科學(xué)體系。因此，深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)煤礦災(zāi)害隱患排除及科學(xué)決策均十分有利。TensorFlow深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)圖見圖4.

圖4 TensorFlow深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)圖

2.3 煤礦安全技術(shù)管理評(píng)估

體系主要包括了目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層等，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，利用判斷矩陣來定量評(píng)估工程問題，這為煤礦安全技術(shù)評(píng)估提供了科學(xué)依據(jù)。

在煤礦開采中，不同的技術(shù)方案比選是科學(xué)決策和安全管理的重要課題。在傳統(tǒng)評(píng)估中，一般個(gè)人主觀因素影響較大，不能量化安全管理煤礦安全技術(shù)管理評(píng)估參數(shù)，這給煤礦開采帶來了安全隱患。基于層次分析法可以系統(tǒng)化評(píng)估煤礦安全技術(shù)管理風(fēng)險(xiǎn)，下面主要利用這一數(shù)學(xué)工具展開論述。

結(jié)合上述煤礦安全技術(shù)，參考《礦山安全法》等法律法規(guī)，建立AHP(層次分析法)評(píng)價(jià)體系，見圖5.

圖5 AHP體系圖

其中，目標(biāo)層為煤礦安全技術(shù)管理；準(zhǔn)則層為防治瓦斯危害、防治煤塵危害、防治火災(zāi)、互聯(lián)網(wǎng)+煤礦安全管理、應(yīng)急救援保障；方案層為技術(shù)方案一(考慮工藝先進(jìn)性)、技術(shù)方案二(考慮節(jié)約成本)、技術(shù)方案三(考慮煤礦安全技術(shù)管理)。

因此，可以獲得準(zhǔn)則層矩陣，即公式(2)：

(2)

同理，方案層對(duì)每一個(gè)準(zhǔn)則的矩陣如下：

(3)

通過矩陣A的最大特征值計(jì)算，可以得到最大特征值和權(quán)重，即為公式(4)：

(4)

進(jìn)而，計(jì)算矩陣A的一致性，可以得到公式(5)：

(5)

上面結(jié)果表明，煤礦安全技術(shù)管理的準(zhǔn)則層矩陣一致性良好。

進(jìn)而計(jì)算方案層對(duì)每一準(zhǔn)則的權(quán)重和總體一致性，結(jié)果見表2.

表2 參數(shù)計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，即可獲得權(quán)重，而且表2結(jié)果表明，矩陣B1到B5符合一致性。

而且，根據(jù)公式(6)，總體一致性是符合的：

CR=(0.263 0×0.003 0+0.475 0×0.001 0+
0.055 0×0.00 0+0.099 0×0.005 0+0.110 0×
0.000 0)/0.580 0=0.003 03<0.1

(6)

因此，可以計(jì)算每一個(gè)方案的煤礦安全技術(shù)管理評(píng)估值，見式(7)，式(8)和式(9)，進(jìn)而可以作出科學(xué)決策。

0.595 0×0.263 0+0.082 0×0.475 0+
0.429 0×0.055 0+0.633 0×0.099 0+
0.166 0×0.110 0=0.30

(7)

0.277 0×0.263 0+0.236 0×0.475 0+
0.429 0×0.055 0+0.193 0×0.099 0+
0.166 0×0.110 0=0.25

(8)

0.129 0×0.263 0+0.682 0×0.475 0+
0.142 0×0.055 0+0.175×
0.099 0+0.668 0×0.110 0=0.45

(9)

根據(jù)煤礦安全技術(shù)管理突出問題，建立AHP評(píng)價(jià)體系，其中，AHP評(píng)價(jià)指標(biāo)依據(jù)科學(xué)性、系統(tǒng)性、普遍性和可操作性選取，因此，根據(jù)公式(7)到公式(9)，技術(shù)方案三(考慮煤礦安全技術(shù)管理)的權(quán)重最大，比較合理，可為煤礦安全技術(shù)管理工作提供參考依據(jù)。

3 結(jié) 論

通過上述論述，結(jié)論如下：

1) 對(duì)山西省煤炭基本情況的論證分析得出，煤炭仍然是經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的重要能源基石。

2) 基于AHP構(gòu)建煤炭安全評(píng)價(jià)體系，可有效分析管理方案的優(yōu)越性，同時(shí)，通過論述煤礦安全技術(shù)，表明TensorFlow深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)煤礦災(zāi)害隱患排除及科學(xué)決策均十分有利，進(jìn)一步的將煤炭安全技術(shù)管理與人工智能耦合也是未來的熱點(diǎn)，通過上述研究以期為煤礦安全技術(shù)管理工作提供參考依據(jù)。